重載礦用膠輪車(chē)液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王慶雄，焦志翔，王 萌

1國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西神木 719315

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)械與電氣學(xué)院 北京 100083

3中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京) 內(nèi)蒙古研究院 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017004

4內(nèi)蒙古必選機(jī)械制造有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000

煤炭行業(yè)是我國(guó)重要的能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)支柱[1-4]。井下無(wú)軌膠輪車(chē)作為一種機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高效的運(yùn)輸工具，近年來(lái)在我國(guó)煤礦得到廣泛應(yīng)用[5]。筆者研究的輪邊驅(qū)動(dòng)重載礦用膠輪車(chē) (下文簡(jiǎn)稱(chēng)“膠輪車(chē)”)在最大載重下的總質(zhì)量可達(dá) 25 t，運(yùn)行在井下崎嶇、復(fù)雜的路面上，整車(chē)慣性大、車(chē)輪上的垂向載荷變化不規(guī)律，因此對(duì)該車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和整車(chē)的制動(dòng)性能提出了更高的要求[6]。

馬建民[7]設(shè)計(jì)了一種無(wú)軌膠輪車(chē)氣頂液制動(dòng)系統(tǒng)，該制動(dòng)系統(tǒng)將氣體壓力能轉(zhuǎn)化為液壓能，其制動(dòng)力與踏板行程成正比，易于駕駛員準(zhǔn)確感受制動(dòng)力，但是氣頂液解除制動(dòng)需向周?chē)欧藕臀鄣臍怏w，且易受粉塵等因素影響其工作可靠性。于英等人[8]設(shè)計(jì)了一種無(wú)軌膠輪車(chē)鉗盤(pán)式制動(dòng)器，依靠彈簧力夾緊制動(dòng)鼓、液壓釋放的方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，但鼓式制動(dòng)器磨損嚴(yán)重，本身需要頻繁維護(hù)、檢修，經(jīng)濟(jì)性較低。常州科試中心研制的 WC5E 型無(wú)軌膠輪車(chē)[9]的行車(chē)制動(dòng)采用液壓制動(dòng)、彈簧釋放的多盤(pán)式制動(dòng)器，但在液壓回路故障時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)失效，緊急情況下安全性無(wú)法保證。

筆者設(shè)計(jì)了一款用于輪邊驅(qū)動(dòng)重載礦用膠輪車(chē)的多回路失壓安全型多盤(pán)制動(dòng)器。多回路的設(shè)計(jì)可以防止單個(gè)回路故障時(shí)整車(chē)制動(dòng)失效；失壓安全型即彈簧制動(dòng)、液壓釋放，防止液壓系統(tǒng)故障時(shí)制動(dòng)失效。并在仿真軟件中根據(jù)井下環(huán)境對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了多工況仿真，對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 膠輪車(chē)液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

(1) 按照《煤礦安全規(guī)程》[10]要求，防爆車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)置行車(chē)制動(dòng)、緊急制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)，且行車(chē)制動(dòng)必須采用濕式制動(dòng)器，行車(chē)制動(dòng)和其他制動(dòng)控制系統(tǒng)必須相互獨(dú)立。

(2) 防爆車(chē)輛以額定載荷、初速度為 20 km/h，在水平干硬路面上制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離應(yīng)不大于 8 m。

(3) 防爆車(chē)輛承載 1.5 倍額定載荷下，在規(guī)定的坡道上穩(wěn)定停車(chē)。

1.2 整車(chē)制動(dòng)力矩計(jì)算

1.2.1 行車(chē)制動(dòng)性能指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件[11]，防爆車(chē)輛以額定載荷、初速度為 20 km/h 時(shí)，在水平干硬路面上制動(dòng)距離小于 8 m。結(jié)合整車(chē)參數(shù)，其行車(chē)制動(dòng)最小減速度

式中：v0為制動(dòng)初速度，v0=20 km/h；s為制動(dòng)距離，取s=7 m；t為制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，取t=0.5 s。

需要指出，此式中s的取值較大。根據(jù)安全性要求，所設(shè)計(jì)的無(wú)軌膠輪車(chē)在初速為 20 km/h 時(shí)，制動(dòng)減速度應(yīng)大于等于此加速度值，即a≥3.65 m/s2。

整車(chē)所需最小制動(dòng)力

式中：Fx為地面制動(dòng)力，N；m為整車(chē)在額定載重時(shí)的總質(zhì)量，m=25 000 kg。

1.2.2 駐車(chē)制動(dòng)性能指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件對(duì)駐車(chē)制動(dòng)的要求，應(yīng)在整車(chē)承載 1.5 倍額定載荷情況下在規(guī)定的坡道上保持靜止，無(wú)溜車(chē)現(xiàn)象。因此所需最小地面制動(dòng)力

式中：g為重力加速度，g=9.8 m/s2；α為最大坡度角，α=14°。

因此，保持膠輪車(chē)不溜車(chē)的最小制動(dòng)器制動(dòng)力矩

式中：r為車(chē)輪半徑，r=0.835 m。

1.3 制動(dòng)系統(tǒng)組成及原理

1.3.1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及指標(biāo)驗(yàn)算

根據(jù)整車(chē)制動(dòng)力的匹配要求，考慮到整車(chē)的結(jié)構(gòu)、布置要求等，采用多回路失壓安全型盤(pán)式制動(dòng)器。制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由靜殼、動(dòng)殼、活塞、彈簧、摩擦片組等組成，輸出力矩如表1 所列。該制動(dòng)器的工作原理為利用彈簧進(jìn)行制動(dòng)，充壓解除制動(dòng)。正常行車(chē)時(shí)，高壓油推動(dòng)活塞 2 向左移動(dòng)，釋放彈簧 4，動(dòng)摩擦片與靜摩擦片相互分離，車(chē)輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)回油口打開(kāi)，油腔迅速泄壓，彈簧釋放，使得動(dòng)靜摩擦片組 5 壓緊，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用。

表1 制動(dòng)器輸出力矩Tab.1 Output torques of brake

圖1 濕式失壓制動(dòng)器Fig.1 Wet pressure loss brake

該膠輪車(chē)的工作制動(dòng)與駐車(chē)制動(dòng)共用一套制動(dòng)器，分別采用獨(dú)立的液壓回路控制。由表1 可知，駐車(chē)制動(dòng)時(shí)單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為 1.6×104N·m，車(chē)輛總的制動(dòng)力矩為 1.6×104N·m×4=6.4×104N·m＞Mx=5.915×104N·m，因此駐車(chē)制動(dòng)性能符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

1.3.2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該車(chē)采用多回路實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制，液壓原理如圖2 所示，避免因某個(gè)回路故障而造成整個(gè)液壓系統(tǒng)失效[12]。

圖2 制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理Fig.2 Hydraulic principle of braking system

由圖2 可知，該車(chē)前、后橋各有 1 個(gè)蓄能器給前、后制動(dòng)橋的制動(dòng)器提供液壓力。制動(dòng)器活塞腔排量V0=80 mL，因此單個(gè)蓄能器在 1 次制動(dòng)后解除制動(dòng)所需的油量

式中：n為熄火后的制動(dòng)次數(shù)，取n=9。

考慮到實(shí)際制動(dòng)時(shí)存在壓力損失，最終確定蓄能器向制動(dòng)器的充液最小壓力為 4 MPa。

2 制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

2.1 膠輪車(chē)直線制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

膠輪車(chē)在水平巷道路面上制動(dòng)時(shí)的受力情況[13]如圖3 所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算及分析，忽略空氣阻力以及車(chē)輪減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩。膠輪車(chē)制動(dòng)時(shí)車(chē)輪處于滑動(dòng)狀態(tài)，因此地面施加的制動(dòng)力為滑動(dòng)摩擦力，地面附著系數(shù)取滑動(dòng)附著系數(shù)φs。

圖3 車(chē)輛行車(chē)制動(dòng)受力分析Fig.3 Force analysis of driving brake for vehicle

對(duì)后輪的接地點(diǎn)取力矩得

式中：Fz1為路面對(duì)前輪的法向反力，N；L為輪距，m；G為膠輪車(chē)重力，N；B為膠輪車(chē)質(zhì)心到后軸的距離，m；m為膠輪車(chē)質(zhì)量，kg；hg為膠輪車(chē)質(zhì)心高度，m；du/dt為膠輪車(chē)制動(dòng)減速度，m/s2；A為膠輪車(chē)質(zhì)心到前軸的距離，m。

相應(yīng)地，對(duì)前輪的接地點(diǎn)取力矩，得

令du/dt=Zg，Z稱(chēng)為制動(dòng)強(qiáng)度，則路面對(duì)前、后輪法向反力

前、后輪的滑動(dòng)摩擦力

無(wú)軌膠輪車(chē)工作場(chǎng)所在煤礦井下，井工礦路面復(fù)雜、顛簸，在制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)車(chē)輪所受的垂向力造成不可忽視的影響[14]?？紤]到該車(chē)定位為礦用防爆式重載輪式輔助運(yùn)輸車(chē)，所以在仿真中加入隨機(jī)路面激勵(lì)，利用 Simulink 中的白噪聲模塊，通過(guò)設(shè)置參數(shù)建立 C 級(jí)路面，參考的空間功率譜密度值是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 C級(jí)路面對(duì)應(yīng)值[15]。

2.2 制動(dòng)過(guò)程仿真分析

膠輪車(chē)整車(chē)參數(shù)如表2 所列。

表2 整車(chē)參數(shù)Tab.2 Vehicle parameters

膠輪車(chē)空載，制動(dòng)初速度為 20 km/h，在滑動(dòng)附著系數(shù)為 0.5 的較為平坦的路面上制動(dòng)情況如圖4 所示。由圖4 可知，其制動(dòng)距離為 3.14 m，制動(dòng)時(shí)間為1.115 s，減速度最小為 4.83 m/s2，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 膠輪車(chē)空載在平坦路面上制動(dòng)情況Fig.4 Braking condition of rubber-tyred vehicle with no load on flat road

膠輪車(chē)滿(mǎn)載，制動(dòng)初速度為 10 km/h，在滑動(dòng)附著系數(shù)為 0.5 的較為平坦的路面上的制動(dòng)情況如圖5所示。由圖5 可知，其制動(dòng)距離為 0.8 m，制動(dòng)時(shí)間為 0.55 s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 膠輪車(chē)滿(mǎn)載在平坦路面上制動(dòng)情況Fig.5 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on flat road

膠輪車(chē)滿(mǎn)載，制動(dòng)初速度為 10 km/h，在滑動(dòng)附著系數(shù)為 0.4 的起伏較大的路面上制動(dòng)情況如圖6 所示。由圖6 可知，其制動(dòng)距離為 1.05 m，制動(dòng)時(shí)間為0.685 s。由于附著系數(shù)的減小和垂直載荷變化更加頻繁，制動(dòng)距離與時(shí)間都有所增加，但都處于煤礦規(guī)程允許的安全范圍內(nèi)。由于路面更加惡劣，制動(dòng)減速度的變化范圍也隨之增大，不僅影響制動(dòng)性能，也對(duì)輪胎和制動(dòng)器的抗沖擊性要求更高。液壓系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)沖擊有一定的吸收緩沖，未來(lái)計(jì)劃在制動(dòng)系統(tǒng)中加入根據(jù)垂直載荷變化的主動(dòng)吸振裝置，使膠輪車(chē)對(duì)井下復(fù)雜、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖6 膠輪車(chē)滿(mǎn)載在起伏較大的路面上制動(dòng)情況Fig.6 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on undulating road

2.3 液壓系統(tǒng)仿真分析

制動(dòng)時(shí)蓄能器壓力動(dòng)態(tài)變化如圖7 所示。前后橋蓄能器經(jīng)過(guò) 3 次制動(dòng)-釋放后，蓄能器壓力降低到約6.3 MPa，達(dá)到蓄能器的額定下限充液壓力。此時(shí)充液閥打開(kāi)，對(duì)前后橋的蓄能器進(jìn)行充液，持續(xù)時(shí)間約2 s，且 2 個(gè)蓄能器的充放液狀態(tài)基本同步，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 制動(dòng)時(shí)蓄能器壓力變化Fig.7 Pressure changes of accumulator during braking

該車(chē)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計(jì)，當(dāng)單個(gè)回路失效時(shí)，另一回路仍然可以工作，實(shí)施制動(dòng)動(dòng)作。根據(jù) MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件》，當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，制動(dòng)系統(tǒng)不能立刻失效，要保證還能進(jìn)行至少 5 次以上的行車(chē)制動(dòng)。因此對(duì)前橋制動(dòng)失效時(shí)，后橋制動(dòng)情況及停泵時(shí)依靠蓄能器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)-釋放過(guò)程進(jìn)行仿真。

停泵后行車(chē)制動(dòng)仿真如圖8 所示，前橋或后橋的蓄能器在 7 次制動(dòng)后的壓力仍保持在 4 MPa 以上。膠輪車(chē)工作時(shí)因故障或某些原因停泵后，蓄能器儲(chǔ)存的能量仍可進(jìn)行約 7 次的制動(dòng)-釋放過(guò)程，滿(mǎn)足通用技術(shù)條件所規(guī)定的制動(dòng)次數(shù)。由仿真結(jié)果可知，停泵后制動(dòng)過(guò)程中，前后橋輸出端口的壓力變化基本同步。

圖8 停泵后行車(chē)制動(dòng)仿真Fig.8 Simulation of driving brake after stopping pump

3 結(jié)語(yǔ)

基于一款重載模塊化輪式輔運(yùn)車(chē)，對(duì)其制動(dòng)性能指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)濕式制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)器進(jìn)行了選型。通過(guò)在 MATLAB/Simulink 中建立重載模塊化輪式輔運(yùn)車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，在不同運(yùn)行工況、道路情況下對(duì)膠輪車(chē)的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，檢驗(yàn)了膠輪車(chē)的行車(chē)制動(dòng)性能和駐車(chē)制動(dòng)性能，均符合國(guó)家和煤礦標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足井下運(yùn)輸?shù)陌踩砸蟆?/p>

未來(lái)計(jì)劃對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加根據(jù)環(huán)境變化而主動(dòng)適應(yīng)的吸振裝置，使得制動(dòng)系統(tǒng)工作更加可靠，無(wú)軌膠輪車(chē)的制動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。